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JP6679992B2 - Semiconductor device - Google Patents

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JP6679992B2 JP2016041374A JP2016041374A JP6679992B2 JP 6679992 B2 JP6679992 B2 JP 6679992B2 JP 2016041374 A JP2016041374 A JP 2016041374A JP 2016041374 A JP2016041374 A JP 2016041374A JP 6679992 B2 JP6679992 B2 JP 6679992B2
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Description

本発明は、スイッチング素子の出力端子間の電位差を制限するダイナミッククランプ回路を備えた半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a dynamic clamp circuit that limits a potential difference between output terminals of a switching element.

従来、例えばスイッチング素子としてMOSFETを採用するとき、ドレイン−ソース間電圧Vdsについてのクランプ電圧をロードダンプに代表されるサージ電圧以上に設定することでMOSFETのオフ状態を維持して素子の破壊を防止することが行われていた。   Conventionally, for example, when a MOSFET is used as a switching element, the clamp voltage for the drain-source voltage Vds is set to be equal to or higher than a surge voltage typified by a load dump to keep the MOSFET off and prevent the element from being destroyed. Was being done.

しかしながら、過電流検出時の保護動作などの際にサージ電圧相当の比較的高い電圧でVdsがクランプされていると、保護動作中の消費電力が大きくなってしまう。また、大きな電力消費に伴う発熱が問題となる場合があった。さらに、素子の微細化に伴い、Vdsの増大による発熱量の増大が従来の素子に較べて顕著になっている。   However, if Vds is clamped at a relatively high voltage equivalent to a surge voltage during a protection operation during overcurrent detection, the power consumption during the protection operation increases. Further, heat generation due to large power consumption may be a problem. Further, with the miniaturization of the element, the increase in the amount of heat generated due to the increase in Vds is more remarkable than that of the conventional element.

特許文献1には、クランプ電圧を可変にした半導体集積回路が開示されている。この半導体集積回路では、高いサージ電圧が想定される場合にはクランプ電圧を高く設定し、負荷ショートに代表されるような短時間で高エネルギーを素子で吸収する必要がある場合にはクランプ電圧を低下させる。これにより、高エネルギーを素子で吸収する際の消費電力を抑制でき、発熱量を抑制することができる。   Patent Document 1 discloses a semiconductor integrated circuit in which a clamp voltage is variable. In this semiconductor integrated circuit, the clamp voltage is set high when a high surge voltage is assumed, and the clamp voltage is set when it is necessary to absorb high energy in a short time as represented by load short circuit. Lower. As a result, it is possible to suppress the power consumption when the high energy is absorbed by the element and suppress the amount of heat generation.

特開2001−85618号公報JP 2001-85618 A

ところで、負荷の地絡等によりスイッチング素子に意図しない電流が流れることを懸念し、負荷をスイッチング素子よりも基準電位側、例えばグランド電位側に配置する要請がある。すなわち、ダイナミッククランプ回路をハイサイドドライバに適用する要請がある。   By the way, there is a demand for arranging the load on the reference potential side, for example, the ground potential side, with respect to the switching element because there is a concern that an unintended current may flow through the switching element due to a ground fault of the load. That is, there is a demand for applying the dynamic clamp circuit to the high side driver.

しかしながら、特許文献1に記載の半導体集積回路においては、ダイナミッククランプ回路が制御するクランプ電圧はグランド電位を基準にする必要がある。このため、このダイナミッククランプ回路は、負荷をスイッチング素子よりも電源側に配置するローサイドドライバでのみ適用可能な構成となっており、ハイサイドドライバに適用するための要請を満たすことができない。   However, in the semiconductor integrated circuit described in Patent Document 1, the clamp voltage controlled by the dynamic clamp circuit needs to be based on the ground potential. Therefore, this dynamic clamp circuit can be applied only to the low-side driver in which the load is arranged on the power supply side of the switching element, and cannot meet the demand for application to the high-side driver.

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、簡素な回路構成を以って、ハイサイドおよびローサイドドライバを問わず適用可能なクランプ回路を備えた半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a clamp circuit that has a simple circuit configuration and is applicable to both high-side and low-side drivers. To do.

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。   The invention disclosed herein employs the following technical means in order to achieve the above object. The reference numerals in parentheses in the claims and this section indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described later as one aspect, and limit the technical scope of the invention. Not something to do.

上記目的を達成するために、本発明は、電源電位とされる電源ノード(T0)と、所定の基準電位とされる第1基準ノード(T1)との間において負荷(200)に対して直列に接続されるスイッチング素子(300)に対して、電源ノード側に接続される第1端子と、第1基準ノード側に接続される第2端子と、の間の端子間電位差を所定のクランプ電圧に制御する制御部(50)を備え、スイッチング素子は、第1端子と第2端子との間に流れる電流を制御するための制御端子を有するものであり、第1端子と制御端子の間に接続され、第1クランプ電圧以上の電圧で通電する第1クランプ回路(20)と、制御端子と制御部の基準電位とされる第2基準ノードとの間に接続され、制御端子の電荷を充放電して端子間電位差を第1クランプ電圧よりも低い第2クランプ電圧とする第2クランプ回路(30)と、制御端子と第2端子との間に接続され、制御端子の電荷を放電する第3クランプ回路(40)と、を備え、制御部は、負荷を流れる負荷電流を検出する過電流検出部(50b)を有し、制御部は、負荷電流が所定の閾値以上となった場合において第2クランプ回路を有効にするとともに、第2クランプ回路が有効になってから所定時間後に第3クランプ回路を有効にし、第2クランプ回路が有効になってから第3クランプ回路が有効になるまでの所定時間τは、負荷を含めたインダクタンスLと、負荷を流れる電流値Iと、第2クランプ電圧V と、電源電位VCCとを用いて、τ≧IL/(V −VCC)の関係を満たす。 In order to achieve the above object, the present invention provides a series connection with a load (200) between a power supply node (T0) having a power supply potential and a first reference node (T1) having a predetermined reference potential. The switching element (300) connected to the power supply node is connected to a first terminal connected to the power supply node side and a second terminal connected to the first reference node side by a predetermined clamp voltage. The switching element has a control terminal (50) for controlling the current flowing between the first terminal and the second terminal, and the switching element has a control terminal (50) between the first terminal and the control terminal. It is connected between a first clamp circuit (20) that is connected and conducts at a voltage equal to or higher than the first clamp voltage, and a second reference node that is a reference potential of the control unit and charges the control terminal. Discharge and detect the potential difference between terminals A second clamp circuit (30) having a second clamp voltage lower than the voltage; and a third clamp circuit (40) connected between the control terminal and the second terminal to discharge the electric charge of the control terminal. The control unit has an overcurrent detection unit (50b) that detects a load current flowing through the load, and the control unit enables the second clamp circuit when the load current becomes equal to or more than a predetermined threshold value. The third clamp circuit is enabled a predetermined time after the second clamp circuit is enabled, and the predetermined time τ from when the second clamp circuit is enabled to when the third clamp circuit is enabled includes the load. The inductance L, the current value I flowing through the load, the second clamp voltage V 2, and the power supply potential VCC are used to satisfy the relationship of τ ≧ IL / (V 2 −VCC).

これによれば、ロードダンプ等のサージ電圧に対しては、端子間電位差を第1クランプ電圧よりも高い電圧で維持できるのでスイッチング素子のオフを維持することができる。   According to this, with respect to a surge voltage such as a load dump, the inter-terminal potential difference can be maintained at a voltage higher than the first clamp voltage, so that the switching element can be kept off.

さらに、負荷ショート等に起因する過電流に対しては、第2クランプ回路によって端子間電位差が第1クランプ電圧よりも小さい第2クランプ電圧にクランプされるので、スイッチング素子における消費電力を低減して発熱量を抑制することができる。この第2クランプ回路は、スイッチング素子における制御端子の電荷を、第2基準ノードを基準にして充放電して第2クランプ電圧を実現するものであるから、負荷とスイッチング素子との接続関係、すなわちスイッチング素子がハイサイド側かローサイド側かに依らず、端子間電位差のクランプ機能を奏することができる。   Further, with respect to an overcurrent caused by a load short circuit or the like, the second clamp circuit clamps the potential difference between the terminals to the second clamp voltage smaller than the first clamp voltage, so that the power consumption of the switching element is reduced. The amount of heat generation can be suppressed. Since the second clamp circuit realizes the second clamp voltage by charging / discharging the electric charge of the control terminal in the switching element with the second reference node as a reference, the connection relationship between the load and the switching element, that is, Regardless of whether the switching element is on the high side or the low side, the clamp function of the potential difference between the terminals can be achieved.

さらに、第3クランプ回路によって、スイッチング素子の制御端子の電荷が第2端子を基準にして放電される。換言すれば、制御端子と第2端子との間の電位差を略同一にすることができるので、より確実にスイッチング素子をオフ状態に維持することができる。   Furthermore, the charge of the control terminal of the switching element is discharged by the third clamp circuit with reference to the second terminal. In other words, since the potential difference between the control terminal and the second terminal can be made substantially the same, the switching element can be more reliably maintained in the off state.

第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a semiconductor device according to a first embodiment. 制御部の詳細を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the detail of a control part. 第2クランプ回路および第3クランプ回路に係る動作を示すタイミングチャートである。6 is a timing chart showing the operation of the second clamp circuit and the third clamp circuit. 第2クランプ回路の変形例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the modification of a 2nd clamp circuit. 第2実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す回路図である。It is a circuit diagram showing a schematic structure of a semiconductor device concerning a 2nd embodiment.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each of the following drawings, the same or equivalent parts are designated by the same reference numerals. In the case where only a part of the configuration is described in each mode, the other parts of the configuration are the same as those described above. Not only the combination of the parts specifically described in the respective embodiments, but also the embodiments can be partially combined with each other as long as the combination does not cause any problems.

(第1実施形態)
最初に、図1および図2を参照して、本実施形態に係る半導体装置の概略構成について説明する。
(First embodiment)
First, the schematic configuration of the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図1に示すように、本実施形態における半導体装置100は、負荷200に流れる電流を制御するスイッチング素子300の制御端子たるゲート電極Gへゲート電圧を印加するための駆動装置である。負荷200は例えば所定の抵抗値を有する抵抗体であり、配線を含めて所定のインダクタンスを有している。スイッチング素子300は例えばMOSFETであり、制御端子たるゲート電極Gと、出力電流が流れるドレイン電極Dとソース電極Sとを有する3端子素子である。ここで、ドレイン電極Dとソース電極Sは、それぞれ特許請求の範囲に記載の第1端子、第2端子に相当する。本実施形態ではスイッチング素子300としてMOSFETを例示するが、スイッチング素子300の種類に限定はなく、例えばIGBTでも良い。スイッチング素子300がIGBTの場合には、第1端子たるドレイン電極Dはコレクタ電極に、第2端子たるソース電極はエミッタ電極に言い換えることができる。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 according to the present embodiment is a drive device for applying a gate voltage to a gate electrode G that is a control terminal of a switching element 300 that controls a current flowing through a load 200. The load 200 is, for example, a resistor having a predetermined resistance value, and has a predetermined inductance including wiring. The switching element 300 is, for example, a MOSFET, and is a three-terminal element having a gate electrode G serving as a control terminal, a drain electrode D through which an output current flows, and a source electrode S. Here, the drain electrode D and the source electrode S correspond to the first terminal and the second terminal described in the claims, respectively. In the present embodiment, a MOSFET is exemplified as the switching element 300, but the type of the switching element 300 is not limited and may be, for example, an IGBT. When the switching element 300 is an IGBT, the drain electrode D serving as the first terminal can be restated as the collector electrode, and the source electrode serving as the second terminal can be restated as the emitter electrode.

スイッチング300と負荷200は、電位が電源電位VCCに設定された電源ノードT0と、電位が所定の基準電位GNDPに設定された第1基準ノードT1との間で直列に接続されている。図1に示す例は、スイッチング素子300が負荷200に対して電源電位VCC側に配置されたハイサイド配置となっている。すなわち、スイッチング素子300のドレイン電極Dは電源ノードT0に接続され、ソース電極Sは負荷200の一端に接続され、負荷200の他端は第1基準ノードT1に接続されている。   The switching 300 and the load 200 are connected in series between a power supply node T0 whose potential is set to the power supply potential VCC and a first reference node T1 whose potential is set to a predetermined reference potential GNDP. In the example shown in FIG. 1, the switching element 300 has a high-side arrangement in which the switching element 300 is arranged on the power supply potential VCC side with respect to the load 200. That is, the drain electrode D of the switching element 300 is connected to the power supply node T0, the source electrode S is connected to one end of the load 200, and the other end of the load 200 is connected to the first reference node T1.

半導体装置100は、ゲート端子Gに対してゲート電極を印加するための駆動装置であり、ゲート電圧を出力するドライバ10と、第1クランプ回路20と、第2クランプ回路30と、第3クランプ回路40と、制御部50と、を備えている。   The semiconductor device 100 is a driving device for applying a gate electrode to the gate terminal G, and includes a driver 10 that outputs a gate voltage, a first clamp circuit 20, a second clamp circuit 30, and a third clamp circuit. 40 and a control unit 50.

ドライバ10は、ゲート駆動回路において一般的に用いられるドライブ回路を採用することができる。スイッチング素子300のゲート容量や流すべき出力電流に応じて適切なドライブ能力を発揮するドライブ回路が選択されていればよいのであり、ここでの詳しい説明は省略する。   The driver 10 can employ a drive circuit generally used in a gate drive circuit. It suffices that a drive circuit exhibiting an appropriate drive capability is selected according to the gate capacitance of the switching element 300 and the output current to be passed, and detailed description thereof will be omitted here.

第1クランプ回路20は、図1に示すように、ゲート電極Gとドレイン電極Dとの間に接続されている。第1クランプ回路20は、カソードをドレイン電極Dに接続するように、複数のツェナーダイオード21が直列接続されることにより構成されている。また、第1クランプ回路20は、ゲート電極Gからドレイン電極Dへ流れる電流を制限するダイオード22を有している。   As shown in FIG. 1, the first clamp circuit 20 is connected between the gate electrode G and the drain electrode D. The first clamp circuit 20 is configured by connecting a plurality of Zener diodes 21 in series so that the cathode is connected to the drain electrode D. The first clamp circuit 20 also has a diode 22 that limits the current flowing from the gate electrode G to the drain electrode D.

また、半導体装置100はゲート電極Gとソース電極Sとの間に介在するゲート抵抗器60を備えている。後述する第2クランプ回路30および第3クランプ回路40が無効のとき、ソース電極Sを基準とするドレイン−ソース間電圧Vdsは、VCC基準でVZe+Vtにクランプされる。ここで、VZeはツェナーダイオード21により規定される電圧であり、直列接続されるツェナーダイオード素子の数によって可変である。また、Vtはスイッチング素子300の閾値電圧である。ここでのクランプ電圧Vds≒VZe+Vtが特許請求の範囲に記載の第1クランプ電圧に相当する。なお、正しくはダイオード22の順方向電圧VFを加算した値がクランプ電圧となるが、説明を簡単にするために以降の説明ではクランプ電圧をVZe+Vtに近似する。   Further, the semiconductor device 100 includes a gate resistor 60 interposed between the gate electrode G and the source electrode S. When the second clamp circuit 30 and the third clamp circuit 40, which will be described later, are ineffective, the drain-source voltage Vds with the source electrode S as the reference is clamped to VZe + Vt on the basis of VCC. Here, VZe is a voltage defined by the Zener diode 21, and is variable depending on the number of Zener diode elements connected in series. Vt is the threshold voltage of the switching element 300. The clamp voltage Vds≈VZe + Vt here corresponds to the first clamp voltage described in the claims. It should be noted that the value obtained by adding the forward voltage VF of the diode 22 is properly the clamp voltage, but in the following description, the clamp voltage is approximated to VZe + Vt to simplify the description.

第2クランプ回路30は、図1に示すように、制御端子たるゲート電極Gと、電位が所定の基準電位GNDXとされた第2基準ノードT2との間に挿設されている。第2クランプ回路30は、所定の抵抗値R2を有する抵抗器31と、抵抗器31と第2基準ノードT2の間に設けられたスイッチ32とを有している。特許請求の範囲に記載の、第2クランプ回路が有効になるとは、スイッチ32がオン(閉成)することによってゲート電極Gが第2クランプ回路30を介して第2基準ノードT2と接続されることに相当する。スイッチ32は後述する制御部50からイネーブル信号が入力されることによりオンされるものであり、例えばMOSFETを採用することができる。   As shown in FIG. 1, the second clamp circuit 30 is inserted between the gate electrode G serving as a control terminal and the second reference node T2 having a predetermined reference potential GNDX. The second clamp circuit 30 has a resistor 31 having a predetermined resistance value R2, and a switch 32 provided between the resistor 31 and the second reference node T2. In the claims, that the second clamp circuit is valid means that the switch 32 is turned on (closed) so that the gate electrode G is connected to the second reference node T2 via the second clamp circuit 30. Equivalent to that. The switch 32 is turned on when an enable signal is input from the control unit 50 described later, and a MOSFET, for example, can be adopted.

後述の第3クランプ回路40が無効の状態で第2クランプ回路30が有効になると、ゲート電極Gは基準電位GNDX近傍の電圧でクランプされるため、VdsはGNDXを基準にしてVCC+Vtにクランプされる。ここでのクランプ電圧Vds≒VCC+Vtが特許請求の範囲に記載の第2クランプ電圧に相当する。   When the second clamp circuit 30 is enabled while the third clamp circuit 40, which will be described later, is disabled, the gate electrode G is clamped at a voltage near the reference potential GNDX, and thus Vds is clamped to VCC + Vt with reference to GNDX. . The clamp voltage Vds≈VCC + Vt here corresponds to the second clamp voltage described in the claims.

第3クランプ回路40は、図1に示すように、制御端子たるゲート電極Gと、ソース電極Sとの間に挿設されている。つまり、ゲート抵抗器60と並列に接続されている。第3クランプ回路40は、所定の抵抗値R3を有する抵抗器41と、抵抗器41とソース電極Sとの間に設けられたスイッチ42とを有している。特許請求の範囲に記載の、第3クランプ回路が有効になるとは、スイッチ42がオン(閉成)することによってゲート電極Gが第3クランプ回路40を介してソース電極Sと接続されることに相当する。スイッチ42は後述する制御部50からイネーブル信号が入力されることによりオンされるものであり、例えばMOSFETを採用することができる。   As shown in FIG. 1, the third clamp circuit 40 is inserted between the gate electrode G, which is a control terminal, and the source electrode S. That is, it is connected in parallel with the gate resistor 60. The third clamp circuit 40 has a resistor 41 having a predetermined resistance value R3, and a switch 42 provided between the resistor 41 and the source electrode S. In the claims, that the third clamp circuit is effective means that the gate electrode G is connected to the source electrode S via the third clamp circuit 40 when the switch 42 is turned on (closed). Equivalent to. The switch 42 is turned on when an enable signal is input from the control unit 50 described later, and for example, a MOSFET can be adopted.

第3クランプ回路40が有効になると、ゲート電極Gはソース電極Sと略同電位になるため、スイッチング素子300をより確実にオフ状態にすることができる。   When the third clamp circuit 40 is activated, the gate electrode G has substantially the same potential as the source electrode S, so that the switching element 300 can be more reliably turned off.

制御部50は、第2クランプ回路30におけるスイッチ32と、第3クランプ回路40におけるスイッチ42のオンオフを制御している。本実施形態における制御部50は、図2に示すように、過熱検出部50aと過電流検出部50bとを有している。   The control unit 50 controls ON / OFF of the switch 32 in the second clamp circuit 30 and the switch 42 in the third clamp circuit 40. As shown in FIG. 2, the control unit 50 in the present embodiment has an overheat detection unit 50a and an overcurrent detection unit 50b.

過熱検出部50aは、感温ダイオード51と、感温ダイオード51に定電流を供給する定電流源52と、コンパレータ53と、コンパレータ53に参照電圧を供給する参照電源54とを有している。コンパレータ53はVCCを電源電位とし、GNDXを基準電位として構成されている。感温ダイオード51は、例えばスイッチング素子300の近傍に配置されている。感温ダイオード51は、置かれた環境の温度と定電流源52により規定される電流値に基づいた電圧値をコンパレータ53に入力している。参照電源54が規定する参照電圧はスイッチング素子300が過熱であると判断される閾値温度に対応した電圧に設定されている。コンパレータ53は、温度に基づく電圧と参照電圧とを比較し、スイッチング素子300の温度が閾値温度よりも大きいときにイネーブルとなる信号を出力する。   The overheat detection unit 50 a includes a temperature sensitive diode 51, a constant current source 52 that supplies a constant current to the temperature sensitive diode 51, a comparator 53, and a reference power supply 54 that supplies a reference voltage to the comparator 53. The comparator 53 is configured with VCC as a power supply potential and GNDX as a reference potential. The temperature sensitive diode 51 is arranged near the switching element 300, for example. The temperature-sensitive diode 51 inputs to the comparator 53 a voltage value based on the temperature of the environment in which it is placed and a current value defined by the constant current source 52. The reference voltage defined by the reference power supply 54 is set to a voltage corresponding to the threshold temperature at which the switching element 300 is determined to be overheated. The comparator 53 compares the voltage based on the temperature with the reference voltage, and outputs a signal that is enabled when the temperature of the switching element 300 is higher than the threshold temperature.

過電流検出部50bは、コンパレータ55とコンパレータ55に参照電圧を供給する参照電源56とを有している。コンパレータ55は、過熱検出部50aにおけるコンパレータ53と同様に、VCCを電源電位とし、GNDXを基準電位として構成されている。参照電源56が規定する参照電圧はスイッチング素子300に流れる出力電流が過電流であると判断される閾値電流に対応した電圧に設定されている。コンパレータ55には、スイッチング素子300を流れる電流に対応するソース電圧(VOUT)が入力されている。コンパレータ55は、出力電流に基づくソース電圧と参照電圧とを比較し、スイッチング素子300の出力電流が閾値電流よりも大きいときにイネーブルとなる信号を出力する。この過電流検出部50bは、特許請求の範囲に記載の電流検出部に相当している。   The overcurrent detection unit 50b includes a comparator 55 and a reference power supply 56 that supplies a reference voltage to the comparator 55. Similar to the comparator 53 in the overheat detection unit 50a, the comparator 55 is configured with VCC as a power supply potential and GNDX as a reference potential. The reference voltage defined by the reference power supply 56 is set to a voltage corresponding to the threshold current at which the output current flowing through the switching element 300 is determined to be an overcurrent. The source voltage (VOUT) corresponding to the current flowing through the switching element 300 is input to the comparator 55. The comparator 55 compares the source voltage based on the output current with the reference voltage, and outputs a signal that is enabled when the output current of the switching element 300 is larger than the threshold current. The overcurrent detection unit 50b corresponds to the current detection unit described in the claims.

過熱検出部50aにおけるコンパレータ53、および、過電流検出部50bにおけるコンパレータ55の出力はOR回路57に入力される。OR回路57は、コンパレータ53,55の少なくとも一方の出力がイネーブルならばイネーブルとなる信号を出力する。   The outputs of the comparator 53 in the overheat detection unit 50a and the comparator 55 in the overcurrent detection unit 50b are input to the OR circuit 57. The OR circuit 57 outputs a signal that enables if the output of at least one of the comparators 53 and 55 is enabled.

OR回路57の出力信号は第2クランプ回路30におけるスイッチ32に対して出力されるとともにタイマー58に入力される。タイマー58は発振器59に接続され、OR回路57からのイネーブル信号が入力されてから所定時間後にイネーブル信号を出力するようになっている。タイマー58からのイネーブル信号は第3クランプ回路40におけるスイッチ42に入力される。   The output signal of the OR circuit 57 is output to the switch 32 in the second clamp circuit 30 and also input to the timer 58. The timer 58 is connected to the oscillator 59 and outputs the enable signal after a predetermined time has elapsed since the enable signal from the OR circuit 57 was input. The enable signal from the timer 58 is input to the switch 42 in the third clamp circuit 40.

上記したように、過熱検出部50aが過熱を検出する、または過電流検出部50bが過電流を検出すると、制御部50はスイッチ32に対してイネーブル信号を出力して第2クランプ回路30を有効にする。そして、所定時間後にスイッチ42に対してイネーブル信号を出力して第3クランプ回路40を有効にする。   As described above, when the overheat detection unit 50a detects overheat or the overcurrent detection unit 50b detects overcurrent, the control unit 50 outputs the enable signal to the switch 32 to enable the second clamp circuit 30. To Then, after a predetermined time, an enable signal is output to the switch 42 to enable the third clamp circuit 40.

なお、タイマー58にイネーブル信号が入力されてからタイマー58がイネーブル信号を出力するまでの所定時間τは任意に設定することができるが、負荷200および配線を含むインダクタンスLに蓄積されたエネルギーをスイッチング素子300にて吸収できるように設定することが好ましい。インダクタンスに蓄積されたエネルギーをスイッチング素子300で吸収するために要する時間tは負荷電流Iと第2クランプ電圧Vを用いて、t=IL/(V−VCC)となる。 The predetermined time τ from the input of the enable signal to the timer 58 to the output of the enable signal from the timer 58 can be set arbitrarily, but the energy stored in the inductance L including the load 200 and the wiring is switched. It is preferable to set it so that the element 300 can absorb it. The time t required for the switching element 300 to absorb the energy stored in the inductance is t = IL / (V 2 −VCC) using the load current I and the second clamp voltage V 2 .

ここで、タイマー58にイネーブル信号が入力されてからタイマー58がイネーブル信号を出力するまでの所定時間τは、インダクタンスLに蓄積されたエネルギーをスイッチング素子300で吸収できる時間を設定することが好ましいので、τ≧t=IL/(V−VCC)とすることが好ましい。 Here, the predetermined time τ from the input of the enable signal to the timer 58 to the output of the enable signal from the timer 58 is preferably set to a time at which the energy accumulated in the inductance L can be absorbed by the switching element 300. , Τ ≧ t = IL / (V 2 −VCC).

次に、図3を参照して、負荷200の短絡を例に、本実施形態に係る半導体装置100の動作について説明する。   Next, with reference to FIG. 3, the operation of the semiconductor device 100 according to the present embodiment will be described by taking a short circuit of the load 200 as an example.

まず、図3に示す時刻t1において、図示しないECU等が負荷200への通電を指示するとドライバ10がオン状態となりゲート電圧の印加を開始する。ゲート電圧が上昇するのに伴ってスイッチング素子300のソース電圧に相当するVOUTが上昇して出力電流が流れる。   First, at a time t1 shown in FIG. 3, when an unillustrated ECU or the like instructs the load 200 to be energized, the driver 10 is turned on and application of a gate voltage is started. As the gate voltage rises, VOUT corresponding to the source voltage of the switching element 300 rises and an output current flows.

時刻t2において負荷200の短絡が発生したと仮定する。出力電流が上昇して時刻t3において制御部50が過電流を検出すると、ドライバ10の駆動がオフされるとともに第2クランプ回路30が有効になる。これにより、スイッチング素子300のゲート電極Gは制御部50の基準電位であるGNDXを基準にしてクランプされ、上記したように、VdsもVds≒Vtなる第2クランプ電圧にクランプされる。第1クランプ電圧に現れるVZe項は、ロードダンプ等の高電圧に対応するためにVCCに較べて十分大きく設定されることが一般的であり、第1クランプ電圧は第2クランプ電圧よりも大きい。逆に言えば、第2クランプ電圧は第1クランプ電圧よりも十分小さいので、短絡に係る過電流に起因する消費電力を低減することができるとともに、発熱量を抑制することができる。   It is assumed that the load 200 is short-circuited at time t2. When the output current rises and the control unit 50 detects an overcurrent at time t3, the driving of the driver 10 is turned off and the second clamp circuit 30 becomes effective. As a result, the gate electrode G of the switching element 300 is clamped with reference to GNDX, which is the reference potential of the control unit 50, and Vds is also clamped to the second clamp voltage of Vds≈Vt as described above. The VZe term appearing in the first clamp voltage is generally set to be sufficiently larger than VCC in order to cope with a high voltage such as a load dump, and the first clamp voltage is larger than the second clamp voltage. Conversely, since the second clamp voltage is sufficiently smaller than the first clamp voltage, it is possible to reduce the power consumption due to the overcurrent related to the short circuit and to suppress the heat generation amount.

本実施形態の半導体装置100では、スイッチング素子300のゲート電極Gを、GNDXを基準にしてクランプするので、レベルシフト回路などの複雑な回路を採用することなくVdsのクランプを実現することができる。そして、このクランプは、本実施形態のようにハイサイドドライバにおいて実現可能である。   In the semiconductor device 100 of the present embodiment, the gate electrode G of the switching element 300 is clamped with GNDX as a reference, so that Vds can be clamped without employing a complicated circuit such as a level shift circuit. Then, this clamp can be realized in the high side driver as in the present embodiment.

時刻t3において第2クランプ回路30が有効になった後、所定時間τの経過後の時刻t4に第3クランプ回路40が有効になる。これにより、スイッチング素子300のゲート電極Gとソース電極Sが略短絡された状態となるため、スイッチング素子300をより確実にオフ状態にすることができる。   After the second clamp circuit 30 becomes valid at time t3, the third clamp circuit 40 becomes valid at time t4 after the elapse of the predetermined time τ. As a result, the gate electrode G and the source electrode S of the switching element 300 are substantially short-circuited, so that the switching element 300 can be more reliably turned off.

なお、本実施形態では、第2クランプ回路30が有効になる際に、スイッチング素子300のゲート電極Gが制御部50の基準電位であるGNDXを基準にしてクランプされる形態について説明しているが、ゲート電極Gの接続先は基準電位GNDPであっても良い。すなわち、特許請求の範囲に記載において、第2基準ノードが第1基準ノードと同一であることを妨げない。   Although the present embodiment describes the mode in which the gate electrode G of the switching element 300 is clamped with reference to GNDX, which is the reference potential of the control unit 50, when the second clamp circuit 30 is enabled. The connection destination of the gate electrode G may be the reference potential GNDP. That is, in the claims, it does not prevent that the second reference node is the same as the first reference node.

しかしながら、第2クランプ回路30が有効になる際のゲート電極Gの接続先は電位が安定していることが好ましいので、制御部50やECUといった制御系のモジュールに接続され、より安定が求められる基準電位に接続されていることが好ましい。   However, since it is preferable that the potential of the connection destination of the gate electrode G when the second clamp circuit 30 becomes effective is stable, the potential is connected to a control system module such as the control unit 50 or the ECU and more stable is required. It is preferably connected to the reference potential.

(変形例1)
図4に示すように、第2クランプ回路30と第2基準ノードT2との間に、第2クランプ回路30を第2基準ノードT2に設定された電位であるGNDXよりも高い電位に昇圧する昇圧部33を備えているとより好ましい。
(Modification 1)
As shown in FIG. 4, between the second clamp circuit 30 and the second reference node T2, the second clamp circuit 30 is boosted to a potential higher than GNDX, which is the potential set at the second reference node T2. It is more preferable to include the portion 33.

第3クランプ回路40のスイッチ42がNMOSである場合において、第2クランプ回路30が有効にされているとき、スイッチング素子300のゲート電極Gが基準電位GNDXに近い電位にクランプされていると、閾値電圧によってはスイッチ42が誤ってオンする虞がある。本変形例における半導体装置100では、昇圧部33が挿設されていない形態に較べて、第2クランプ回路30オン時のゲート電圧を高くできるので、第3クランプ回路40の意図しない有効化を防止することができる。   When the switch 42 of the third clamp circuit 40 is an NMOS and the second clamp circuit 30 is enabled and the gate electrode G of the switching element 300 is clamped at a potential close to the reference potential GNDX, Depending on the voltage, the switch 42 may be turned on by mistake. In the semiconductor device 100 according to this modification, the gate voltage when the second clamp circuit 30 is turned on can be made higher than that in the configuration in which the booster 33 is not inserted, so that the unintentional activation of the third clamp circuit 40 is prevented. can do.

なお、昇圧部33は、第2クランプ回路30をGNDXよりも高い電位にできれば良いので、図4に示す電源回路に限定されない。例えばダイオードや、ゲート−ドレインショートされたNMOSであっても良い。   The booster 33 is not limited to the power supply circuit shown in FIG. 4 as long as the second clamp circuit 30 can be set to a potential higher than GNDX. For example, a diode or an NMOS with a gate-drain short circuit may be used.

(第2実施形態)
第1実施形態では、半導体装置100が、スイッチング素子300が負荷200に対して電源電位VCC側に配置されたハイサイドドライバに適用される例について説明した。これに対して、第2実施形態では、半導体装置100がローサイドドライバに適用される例について説明する。
(Second embodiment)
In the first embodiment, the example in which the semiconductor device 100 is applied to the high-side driver in which the switching element 300 is arranged on the power supply potential VCC side with respect to the load 200 has been described. On the other hand, in the second embodiment, an example in which the semiconductor device 100 is applied to a low side driver will be described.

半導体装置100を構成する要素は第1実施形態と同一である。本実施形態において、スイッチング素子300のドレイン電極Dは、図5に示すように、負荷200を介して電源ノードT0に接続されている。一方、ソース電極Sは直接的に第1基準ノードT1に接続されている。半導体装置100のうち第1クランプ回路20は、一端がドレイン電極Dと負荷200の中間点に接続され、他端はゲート電極Gに接続されている。   The constituent elements of the semiconductor device 100 are the same as those in the first embodiment. In the present embodiment, the drain electrode D of the switching element 300 is connected to the power supply node T0 via the load 200 as shown in FIG. On the other hand, the source electrode S is directly connected to the first reference node T1. In the first clamp circuit 20 of the semiconductor device 100, one end is connected to an intermediate point between the drain electrode D and the load 200, and the other end is connected to the gate electrode G.

このように、半導体装置100は、その回路構成を変更することなく、ハイサイドドライバにも、ローサイドドライバにも適用することが可能である。   As described above, the semiconductor device 100 can be applied to both the high-side driver and the low-side driver without changing the circuit configuration.

(その他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
(Other embodiments)
Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

上記した各実施形態における第2クランプ回路30の抵抗器31は、スイッチング素子300のゲート電極の充放電が可能な定電流源やツェナーダイオードに置き換えることが可能である。   The resistor 31 of the second clamp circuit 30 in each of the above-described embodiments can be replaced with a constant current source or a Zener diode capable of charging and discharging the gate electrode of the switching element 300.

また、上記した各実施形態における第3クランプ回路40の抵抗器41は、スイッチング素子300のゲート電極の放電が可能な定電流源やツェナーダイオードに置き換えることが可能である。   Further, the resistor 41 of the third clamp circuit 40 in each of the above-described embodiments can be replaced with a constant current source or a Zener diode capable of discharging the gate electrode of the switching element 300.

抵抗器31および抵抗器41を定電流源に置き換える場合には、その電流値を第3クランプ回路40のほうが大きくなるように設定する。これにより、第2クランプ回路30によるクランプ動作の後、ゲート電極Gの電位Vgは第3クランプ回路40に起因する定電流に依存するようになるので、第3クランプ回路40による確実なスイッチング素子300のオフを実現することができる。   When replacing the resistors 31 and 41 with a constant current source, the current value of the third clamp circuit 40 is set to be larger. As a result, after the clamp operation by the second clamp circuit 30, the potential Vg of the gate electrode G becomes dependent on the constant current caused by the third clamp circuit 40, and thus the reliable switching element 300 by the third clamp circuit 40. Can be turned off.

さらに、スイッチ32およびスイッチ42は、単にダイオードに置き換えても良い。この場合、抵抗器31の抵抗値R2と抵抗器41の抵抗値R3との関係はR2>R3を満たすようにする。これにより、第2クランプ回路30によるクランプ動作の後、ゲート電極Gの電位Vgは抵抗値R3に依存するようになるので、第3クランプ回路40による確実なスイッチング素子300のオフを実現することができる。   Further, the switches 32 and 42 may simply be replaced by diodes. In this case, the relation between the resistance value R2 of the resistor 31 and the resistance value R3 of the resistor 41 satisfies R2> R3. As a result, after the clamping operation by the second clamp circuit 30, the potential Vg of the gate electrode G depends on the resistance value R3, so that the switching element 300 can be reliably turned off by the third clamp circuit 40. it can.

上記した各実施形態において、制御部50の構成は図2に示すものに限定されることはなく、スイッチング素子300の出力電流の異常を検出できる構成であれば良い。   In each of the above-described embodiments, the configuration of the control unit 50 is not limited to that shown in FIG. 2 and may be any configuration that can detect an abnormality in the output current of the switching element 300.

10…ドライバ,20…第1クランプ回路,30…第2クランプ回路,40…第3クランプ回路,50…制御部,100…半導体装置,200…負荷,300…スイッチング素子,VCC…電源電位 10 ... Driver, 20 ... 1st clamp circuit, 30 ... 2nd clamp circuit, 40 ... 3rd clamp circuit, 50 ... Control part, 100 ... Semiconductor device, 200 ... Load, 300 ... Switching element, VCC ... Power supply potential

Claims (2)

電源電位とされる電源ノード(T0)と、所定の基準電位とされる第1基準ノード(T1)との間において負荷(200)に対して直列に接続されるスイッチング素子(300)に対して、前記電源ノード側に接続される第1端子と、前記第1基準ノード側に接続される第2端子と、の間の端子間電位差を所定のクランプ電圧に制御する制御部(50)を備え、
前記スイッチング素子は、前記第1端子と前記第2端子との間に流れる電流を制御するための制御端子を有するものであり、
前記第1端子と前記制御端子の間に接続され、第1クランプ電圧以上の電圧で通電する第1クランプ回路(20)と、
前記制御端子と前記制御部の基準電位とされる第2基準ノードとの間に接続され、前記制御端子の電荷を充放電して前記端子間電位差を第1クランプ電圧よりも低い第2クランプ電圧とする第2クランプ回路(30)と、
前記制御端子と前記第2端子との間に接続され、前記制御端子の電荷を放電する第3クランプ回路(40)と、を備え、
前記制御部は、前記負荷を流れる負荷電流を検出する過電流検出部(50b)を有し、
前記制御部は、前記負荷電流が所定の閾値以上となった場合において前記第2クランプ回路を有効にするとともに、前記第2クランプ回路が有効になってから所定時間後に前記第3クランプ回路を有効にし、
前記第2クランプ回路が有効になってから前記第3クランプ回路が有効になるまでの所定時間τは、前記負荷を含めたインダクタンスLと、前記負荷を流れる電流値Iと、前記第2クランプ電圧V と、電源電位VCCとを用いて、τ≧IL/(V −VCC)の関係を満たす半導体装置。
For the switching element (300) connected in series with the load (200) between the power supply node (T0) having the power supply potential and the first reference node (T1) having the predetermined reference potential. A control unit (50) for controlling a terminal-to-terminal potential difference between a first terminal connected to the power supply node side and a second terminal connected to the first reference node side to a predetermined clamp voltage. ,
The switching element has a control terminal for controlling a current flowing between the first terminal and the second terminal,
A first clamp circuit (20) connected between the first terminal and the control terminal and energized at a voltage equal to or higher than a first clamp voltage;
A second clamp voltage, which is connected between the control terminal and a second reference node serving as a reference potential of the control unit, charges and discharges the control terminal to reduce the inter-terminal potential difference to be lower than the first clamp voltage. A second clamp circuit (30)
A third clamp circuit (40) connected between the control terminal and the second terminal, for discharging the electric charge of the control terminal,
The control unit includes an overcurrent detection unit (50b) that detects a load current flowing through the load,
The control unit activates the second clamp circuit when the load current becomes equal to or higher than a predetermined threshold value, and activates the third clamp circuit after a predetermined time has elapsed since the second clamp circuit was activated. to,
The predetermined time τ from the activation of the second clamp circuit to the activation of the third clamp circuit is the inductance L including the load, the current value I flowing through the load, and the second clamp voltage. A semiconductor device which satisfies the relationship of τ ≧ IL / (V 2 −VCC) by using V 2 and a power supply potential VCC .
前記第2クランプ回路と前記第2基準ノードとの間において、前記制御部の基準電位に対して第2クランプ回路の電位を高くする昇圧部(33)を備える請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a booster unit (33) for increasing a potential of the second clamp circuit with respect to a reference potential of the control unit, between the second clamp circuit and the second reference node.
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